Вопрос №51

1) Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объем, энтропия). В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений.

На практике условие изолированности означает, что процессы установления равновесия протекают гораздо быстрее, чем происходят изменения на границах системы (то есть изменения внешних по отношению к системе условий) и осуществляется обмен системы с окружением веществом и энергией. Иными словами, термодинамическое равновесие достигается, если скорость релаксационных процессов достаточно велика (как правило, это характерно для высокотемпературных процессов) либо велико время для достижения равновесия (этот случай имеет место в геологических процессах).

В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта:

• равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы — локальное равновесие,
• неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе — частичное равновесие,
• имеют место как локальное, так и частичное равновесие.

Устойчивость термодинамического равновесия

Состояние термодинамического равновесия называется устойчивым, если в этом состоянии не происходит изменения макроскопических параметров системы.

Критерии термодинамической устойчивости различных систем:

• Изолированая (абсолютно не взаимодействуящая с окружающей средой) система — максимум энтропии.
• Замкнутая (обменивается с термостатом только теплом) система — минимум свободной энергии.
• Система с фиксированными температурой и давлением — минимум потенциала Гиббса.
• Система с фиксированными энтропией и объёмом — минимум внутренней энергии.
• Система с фиксированными энтропией и давлением — минимум энтальпии.

2) Термическое поле Земли — температура воздушных масс и барическое поле — давление и динамика воздушных масс образуют единое термодинамическое поле. Циркуляция атмосферы — это часть единой системы — циркуляции атмо- и гидросферы — воздушных потоков и океанских течений.

Циркуляция атмо- и гидросферы — система не замкнутая: она принимает солнечную энергию и отдает тепло в космос. В восприятии солнечной энергии решающую роль играет океан, особенно тропические его зоны; потеря тепла происходит в полярных зонах и в пустынях, особенно в тропических.

Импульсы циркуляции направлены из областей усвоения солнечной энергии в места ее потери.

Динамика атмо- и гидросферы происходит во вращающейся сфере; на движущиеся воздушные массы действует кориолисова сила, поэтому в циркуляции атмосферы есть две слагающие — меридиональная и зональная.

Основной формой планетарной циркуляции воздушных масс является цикло-антициклональная деятельность, образование огромных вихрей в тропосфере, иногда захватывающих и нижнюю стратосферу. Движущиеся циклоны смещаются в полярные широты, а антициклоны — в субтропические. Ими создаются барические максимумы и минимумы. В циклонах и антициклонах происходит и подъем воздуха, и горизонтальные перемещения воздушных масс.

Распределение атмосферного давления, восходящих и нисходящих токов воздуха, горизонтального перемещения воздушных масс определяет влажность климата и служит одной из основных наряду с распределением тепла причин дифференциации географической оболочки.